Обеспечение приоритетного движения городского общественного транспорта

Телематика используется и для управления работой систем обеспечения приоритетного проезда общественного транспорта на перекрестках, оборудованных светофорами, для обеспечения условий соблюдения заданных графиков движения транспортных средств и для их контроля в системах городского общественного транспорта, оперативно реагирующих на спрос пассажиров и оказания помощи инвалидам и пассажирам пожилого возраста.

Понятие «приоритет проезда транспортных средств общественного транспорта» означает, что им предоставляется определенное преимущество на перекрестках со светофором, изменяющая режим работы сигналов светофора так, чтобы данные транспортные средства могли как можно быстрее проехать через перекресток. Однако режим движения данных транспортных средств отличается от режима движения легковых автомобилей. Благодаря посадке и высадке пассажиров и большей степени воздействия со стороны других транспортных средств, например, более медленных автомобилей, средняя скорость транспортных средств общественного транспорта¹ является низкой и имеет существенный разброс по сравнению с автомобилями. Низкая скорость означает, что автобусы трудно включить в расчеты координации, которые осуществляются для относительно компактных групп автомобилей. Автобус может начать свое движение в группе автомобилей, проезжающих на зеленый сигнал светофора, но благодаря остановке между перекрестками приезжает на следующий перекресток во время красного сигнала. Такое движение графически изображено на рисунке.

Задержка у светофоров сказывается больше всего на общей задержке маршрута движения транспортных средств городского общественного транспорта, на которую можно повлиять техническими средствами. Задержка, вызванная наличием светофора, достигает значения 10-30 % от общей задержки.

Ликвидация таких задержек позволит снизить не только общее время проезда, но и повысит скорость движения, в результате чего общественный транспорт становится более привлекательным, одновременно позволяя уменьшить количество транспортных средств для обеспечения тех же самых интервалов движения по расписанию. С другой стороны, высокий уровень приоритета проезда транспортных средств общественного транспорта может негативно повлиять на остальной транспорт, особенно, на пересечении двух главных магистралей или при предоставлении абсолютного преимущественного права проезда отдельным транспортным средствам.

Приоритет проезда регулируемого перекрестка можно разделить на две главные категории: пассивный и активный приоритет и далее на приоритет абсолютный и условный. Виды пассивного и активного приоритета далее делятся на несколько видов, описанных ниже.

Пассивный приоритет

Технология обеспечения пассивного приоритета не учитывает в явном виде фактическое местонахождение транспортного средства общественного транспорта (для которого для простоты далее используется название автобус). Исходными являются предварительно составленные циклы работы сигналов светофоров, которые получены на основе статистически надежных измерений режима движения автобусов и которые упрощают их вероятный проезд через перекресток. Речь идет о самом дешевом методе, который конечно не позволяет учитывать мгновенное фактическое местоположение транспортного средства:

Изменение продолжительности цикла: укорочение продолжительности цикла может уменьшить задержку проезжающих транспортных средств, но потенциально уменьшает пропускную способность перекрестка, что могло бы проявиться в общем увеличении колонного движения на перекрестке. Деление фаз: фаза, в течение которой могут проехать транспортные средства общественного транспорта, вводится до/между другими фазами, в результате чего транспортные средства общественного транспорта, благодаря большому количеству фаз, предназначенных для общественного транспорта, имеют больше возможностей проезда через перекресток без остановки. Маршрутные графики времени: графики времени и временной сдвиг для координирования рассчитываются с учетом скорости транспортных средств общественного транспорта. Ограничение въезда транспортных средств: в случае транспортных проблем используется метод ограничения количества транспортных средств, въезжающих в район города. Для транспортных средств городского общественного транспорта такой подход не применяется, для них выделяют специальные объездные маршруты или полосы движения.

Активный приоритет

Под активным приоритетом подразумевают метод регулирования движения, основанный на применении специальных детекторов транспорта, которые регистрируют проезд транспортного средства. Сигналы от детектора поступают в систему регулирования движения на перекрестке и включают сигнал светофора, который обеспечивает проезд перекрестка с малой задержкой или даже без задержки. Существует несколько путей достижения этой цели. Увеличение продолжительного зеленого сигнала светофора: означает увеличение продолжительности зеленого сигнала, если фиксируется проезд транспортного средства за определенное время. Точка, в которой регистрируется проезд транспортного средства, имеет точное положение и принимается во внимание фактическая скорость. Такое увеличение длительности зеленого сигнала обычно ограничено определенным значением времени (например, +5 с по сравнению с длительностью первоначального зеленого сигнала). Метод используется, если автобус подъезжает как раз под конец прежнего зеленого сигнала и должен был бы ждать целый цикл для повторения своей фазы.

Опережение зеленого сигнала: используется в том случае, если предполагается проезд автобуса в течение красного сигнала. Это значит, что все остальные фазы уже окончены и активизируется фаза для автобуса. Данный тип приоритета также используется для того, чтобы ликвидировать колонну автомобилей перед автобусом и чтобы он проехал через перекресток на зеленый сигнал.

Специальная фаза (полностью красная): специальная фаза дает возможность эксклюзивного проезда транспортного средства городского общественного транспорта в зоне перекрестка в то время, как все остальные сигналы группы показывают «СТОП». Речь идет о коротком зеленом сигнале для транспортных

средств общественного транспорта, который можно ввести в любую точку цикла. При введении этой фазы должны быть сохранены все элементы безопасности, как например, промежуточные интервалы времени. Также следует учитывать психологический момент, так как кажущееся нелогичное введение фазы может вызвать у водителей неуверенность, так как они привыкли к стандартной последовательности смены сигналов светофора.

Исключение сигнальных групп: для упрощения проезда транспортных средств городского общественного транспорта одна или несколько сигнальных групп пропускаются в данной фазе или последовательности фаз. В результате этого ускоряется переход в фазу для транспортного средства с приоритетом. Однако в таком случае следует учесть, какие имеются требования к пропущенным сигнальным группам и логика управления должна обеспечить быстрый проезд транспортного средства, чтобы оно не задерживалось слишком долго на перекрестке, не получив сигнала «свободно».

Компенсация: такая стратегия управления должна препятствовать обратному явлению, а именно, чтобы приоритет транспортных средств городского общественного транспорта не привел к принципиальным проблемам остальных транспортных средств. Поэтому в то время, когда не требуется приоритет транспортных средств общественного транспорта, компенсируются потери остальных транспортных средств путем удлинения зеленого сигнала или другим путем. Стратегии, указанные выше, могут быть использованы по отдельности или в различных комбинациях. При проектировании всегда следует использовать метод компенсации.

Абсолютный приоритет

В данном случае транспортное средство, которое было зафиксировано детектором, получает сигнал «Свободно» без учета движения других транспортных средств. Переход в это состояние должен учитывать все аспекты безопасности, как например, время выезда и т. п.. Понятие абсолютного приоритета появляется не только по отношению к транспортным средствам общественного транспорта, но и к транспортным средствам с преимущественным правом проезда..

Как показывает практика и результаты моделирования движения транспортных потоков в реальном режиме времени, абсолютный приоритет, который вызывает скачкообразные изменения условий движения транспортных средств, приводит к потерям времени остальными транспортными средствами. Поэтому использование такой стратегии управления не рекомендуется для транспортных средств городского пассажирского общественного транспорта. В то же время, эта стратегия необходима при организации движения транспортных средств скорой медицинской помощи и службы спасения. Одной из причин отказа применения абсолютного приоритета для транспортных средств общественного транспорта может быть и то, что это транспортное средство едет с опережением расписания и на следующей остановке оно должно это опережение компенсировать более длительной стоянкой.

Условный приоритет

Стратегия обязательного приоритета учитывает совокупность факторов, и на основе их анализа определяется целесообразность предоставления приоритета транспортному средству общественного транспорта.

Одними из факторов, которые учитываются в алгоритмах, определяющих приоритет, являются следующие: соответствие движения расписанию, количество занятых мест

пассажирами, длина колонны автомобилей в направлении движения транспортного средства общественного транспорта и в других направлениях, время, истекшее с момента предоставления последнего приоритета, эффект координирования, время цикла, когда была зафиксирована заявка от транспортного средства общественного транспорта. Выбор комбинации условий и используемого вида алгоритма управления всегда зависит от специалиста по транспорту.

В последнее время чаще всего считается, что приоритет должен преимущественно предоставляться в зависимости от согласованности движения транспортного средства с расписанием. Очевидно, что необходимо использовать более высокие формы идентификации транспортных средств общественного транспорта и более высокие формы их управления, которые, как пример практического приложения телематики описаны в последующих разделах настоящего учебного пособия.

Следует также учитывать то, что сами системы управления, находящиеся на уровне транспортного узла или области, должны быть на более высоком уровне по сравнению с требуемыми для абсолютного приоритета. Во многих европейских проектах изучались требования, предъявляемые к системе управления, с точки зрения приоритета общественного транспорта. Проект PRIMAVERA в рамках проекта DRIVE II, тестировал и оценивал параметры систем управления с точки зрения приоритета городскому общественному транспорту: локальная система управления с помощью радиосвязи с автобусами в г. Кент и в юго-восточном Лондоне, центральные системы UTOPIA в Торино, SCOOT в Лондоне и SCATS в Мельбурне.

Контактный и бесконтактный приоритеты проезда

Простой способ предоставления приоритета транспортному средству городского общественного транспорта, заключающийся только в сигнализации о том, что транспортное средство находится как раз в определенной точке по отношению к перекрестку, не относится к категории приложений телематики. Последние образуют более высокую форму, заключающуются не только в «интеллектуальной регистрации» транспортного средства, но главное в интеллектуальной реакции на проезд данного транспортного средства, заключающейся в предоставлении приоритета, если это требуется, или не предоставление приоритета, если транспортное средство движется с опережением расписания. Система высокого уровня способна следить за движением транспортных средств на уровне сети и оптимизировать пропускную способность в отношении к транспортным средствам городского общественного транспорта. Ниже кратко описывается детектирование транспортного средства на основе троллейных контактов и рассматривается бесконтактный метод передачи комплексной информации.

Контактное детектирование транспортного средства

Контактный способ детектирования транспортного средства общественного транспорта не позволяет полностью использовать возможности технического и программного оснащения устройств управления светофорами. Причинами этого являются, прежде всего, следующие:

• троллейный контакт не предоставляет информацию о том, что перед перекрестком накопилось большое количество автобусов и что автобус едет в соответствии с расписанием;

троллейные контакты часто по техническим причинам расположены вблизи перекрестка (в областях с меньшей транспортной нагрузкой можно расположить троллейные контакты на большем расстоянии от перекрестка со светофорным регулированием и не надо уже думать об этой проблеме), что не дает возможности своевременного изменения режима работы устройств управления светофорами;

• электрическое управление стрелкой находится в непосредственной близости от перекрестка, в результате чего информации о направлении перемещения транспортного средства приходят поздно с точки зрения принятия решения;

• вблизи перекрестков, как правило, бывают остановки и время после выезда транспортного средства от остановки является недостаточным для изменения программы регулирования;

• применимо только для трамваев и троллейбусов;

• ограниченная надежность, вызванная наличием механических систем и деталей.

Из приведенного очевидно, что в случае контактного детектирования речь идет только об определении того, что не идентифицированное транспортное средство находится на данном расстоянии от регулируемого перекрестка. Эту информацию можно использовать для местного регулирования на данном перекрестке.

Очень проблематичной является также надежность контактов ввиду того, что речь идет о механическом взаимодействии токоснимателя транспортного средства и контакта троллея. Прежние классические контакты заменяются датчиками, использующими электропроводящую резину, которая механически мало изнашивается. Также передача двоичной информации от троллея вызывала проблемы ввиду наличия напряжения величиной несколько сот вольт (600-700 В) и использования кабелей сопротивления для высокого напряжения, служащих для преобразования напряжения импульсов в безопасное напряжение. Поэтому в настоящее время используется беспроводная передача от датчика на троллее к транспортному средству управления. Дальность передачи составляет 100-300 м. Ввиду простого кодирования в данном случае возникает проблема помех.

Для детектирования положения транспортных средств общественного транспорта, не использующих контакты и передающих комплексную информацию о транспортном средстве, можно использовать два способа:

• местная система, основанная на радиосвязи на короткие расстояния;

• центральная система, основанная на использовании GPS.

Местные системы работают так, что транспортное средство имеет связь непосредственно с транспортным устройством управления, причем необходимо дополнительно оснастить всю систему маяками, обычно расположенными на расстоянии 200-500 м от устройства управления, которые дадут возможность определить исходное положение транспортного средства.

Центральные системы используют GPS для определения положения и блоки связи, установленные на транспортных средствах, которые передают посредством радиосети и в регулярных интервалах данные о местонахождении транспортного средства от центра, из которого обеспечена коммуникационная связь с устройством управления.

Местная система - радиосвязь на короткие расстояния

Коммуникационная среда, используемая для беспроводной передачи, дает возможность передавать гораздо больший объем информации, которая может быть использованы для принятия более комплексного решения. Транспортные средства городского общественного транспорта большинства европейских транспортных предприятий оснащены бортовой передающей и информационной системой, подключенной к сборной шине в соответствии с рекомендациями IPIS (Интегральная Бортовая Информационная Система), которая управляется от бортового компьютера. Бортовой компьютер содержит информацию о маршруте движения и информацию о соблюдении расписания.

Транспортные средства городского общественного транспорта оснащены техническими узлами, которые поддерживают возможности беспроводного способа детектирования их положения. Речь идет о коммуникации с маяком, расположенным на определенном расстоянии от перекрестка и о связи с устройством управления транспортом.

При беспроводном способе регистрации используются три вида регистрации транспортного средства:

• предварительная регистрация;

• сообщение о закрытии дверей на остановке;

• главная регистрация.

После проезда через перекресток транспортное средство должно осуществить дерегистрацию (как бы перерегистрироваться).

Отдельные сообщения передаются устройству управления светофором с помощью радиосвязи. Радиопередача информации не нуждается в дорогом монтаже оборудования на перекрестке и дает возможность передавать из транспортного средства в устройство управления светофором большее количество информации. При реализации системы предоставления приоритета транспортным средствам общественного транспорта следует существующие устройства управления дополнить новыми аппаратными средствами и программным обеспечением. Последующие изменения касаются транспортных средств (если в них не установлены средства связи и сборная шина IPIS). Также следует дополнить всю транспортную инфраструктуру маяками положения на трассах отдельных маршрутов. В общей сложности речь идет о следующем объеме работ:

Устройство управления светофором:

• приемник команд с параллельным интерфейсом для присоединения ко входам устройства управления или к сборной шине устройства управления;

• дополнение и приспособление программного обеспечения устройства управления светофором для обеспечения поддержки приемника команд.

Технические средства на трассе:

• маяки, передающие код местоположения транспортного средства.

Транспортное средство:

• передатчик команд;

• приемник маяка, передающего код местоположения транспортного средства;

• устройство для измерения пройденного расстояния (одометр, тахограф или аналогичные устройства);

• дополнение программного обеспечения бортового компьютера программой обслуживания передатчика команд;

• дополнение структур данных маршрута (расписания) данными о расположении перекрестков со светофорами и соответствующих им маяков.

Упрощенное описание работы системы

Принцип действия системы в целом вытекает из описания отдельных этапов предоставления приоритета:

Предварительная регистрация

На первом этапе транспортное средство проходит около маяка местоположения, который расположен на расстоянии около 300 м от перекрестка. Приемник сигнала маяка, который расположен в транспортном средстве, принимает код маяка. По сборной шине код передается бортовому компьютеру, который находит в структуре данных направление, по которому транспортное средство приближается к перекрестку, и направление, по которому оно продолжает движение после перекрестка, а также вид транспортного средства городского общественного транспорта (трамвай, автобус, троллейбус). Далее бортовой компьютер определяет, едет ли транспортное средство по расписанию или опаздывает, а в зависимости от этого передает сообщение по сборной шине передатчику команд, который данное сообщение передаст устройству управления светофором. Опережение по сравнению с расписанием после регистрации оценивается устройством управления светофором как движение по расписанию.

Предварительная и главная регистрация транспортного средства в устройстве управления светофорами

Сообщение о закрытии дверей

Если перед перекрестком находится остановка, то в таком случае решающим фактором для передачи сообщения устройству управления светофором является момент закрытия дверей после окончания посадки пассажиров. Из структур данных маршрута бортовой компьютер определяет, находится ли после остановки перекресток со светофором, а также направление, по которому к перекрестку подъезжает средство ГПОТ, и направление, по которому его движение продолжается. После принятия данного сообщения, передаваемого по сборной шине транспортного средства, передатчик команд передает сообщение о закрытии дверей и другую информацию транспортному устройству управления.

Главная регистрация

Третий этап - это главная регистрация, которая осуществляется в заданной точке непосредственно перед перекрестком. Данное расстояние должно оцениваться бортовым компьютером по данным устройства для измерения пройденного расстояния, и на основании сообщений из банка данных определяет момент передачи сообщения по сборной шине передатчику команд, который передаст его устройству управления светофором. Сообщение формулируется и модифицируется так же, как оба предыдущих сообщения.

Последним этапом является дерегистрация, инициатором которой опять является бортовой компьютер, действующий на основании данных, полученных от устройства измерения пройденного расстояния, по которым он формулирует сообщение для датчика команд, которое дополнительно модифицирует в зависимости от выполнения графика движения. По данным банка данных определяется момент, в котором соответствующее сообщение передается по сборной шине транспортного средства датчику команд, который непосредственно передает его устройству управления светофором.

Такая система детектирования транспортных средств общественного транспорта, подъезжающих к перекрестку, передает устройству управления светофором достаточное количество данных для реализации сложного способа управления светофором в условиях приоритета местного общественного транспорта и предоставляет достаточное количество информации для более общих телематических приложений. Речь идет в первую очередь о ниже приведенных данных, которые используются для последующего анализа на центральном уровне:

• количество транспортных средств общественного транспорта, приближающихся к перекрестку в отдельных направлениях, включая данные о направлении движения после перекрестка;

• данные о соблюдении расписания приближающимися и проезжающими транспортными средствами;

• точное время отъезда от остановки перед перекрестком;

• количество пропущенных транспортных средств по отдельным направлениям.

На основании вышеприведенных данных вместе с дополнительными данными, полученными от индуктивных петель, устройство управления светофором может лучше оценить ситуацию и определить соответствующую последовательность проезда через перекресток со светофором, т.е. осуществить удлинение или сокращение интервалов движения в отдельных направлениях или изменить последовательность отдельных направлений движения.

Настоящую систему можно использовать как для трамваев, так и для автобусов. Для обоих видов городского пассажирского общественного транспорта используется одна и та же система, что значительно сокращает не только капитальные, но и производственные расходы, включая расходы на содержание системы.

Результаты, достигнутые в Ростоке

В рамках пилотного тестирования было проверено ускорение работы маршрута 4, идущего от главного вокзала через центр города к северо-восточной окраине города. В центре города по пути трамвайной линии движется прочий транспорт, на окраине города предусмотрены специальные пути. По финансовым соображениям некоторые светофоры были оборудованы только частично. Несмотря на это, приоритетом, предоставленным маршруту 4, было достигнуто следующее:

• сокращение среднего времени проезда 1 км на 28 с, в том числе 15 с/км приходится на сокращение задержек перед регулируемым перекрестком и оставшиеся 13 с/км - на остальные мероприятия;

• общее сокращение времени проезда от начальной до конечной остановок на 3 мин (14 %);

• повышение скорости движения с 18,6 км/ч до 21,7 км/ч (17 %);

• при интервале 6 минут имеет место экономия одного комплекта на маршруте;

• общее сокращение времени задержек перед регулируемым перекрестком со 170 с до 70 с (60 %);

• уменьшение доли задержки перед перекрестком в общем времени проезда с 13,5 % до 6,5 %;

• уменьшение количества вынужденных остановок и уменьшение дисперсии времени задержек перед перекрестком, общее повышение плавности и равномерности движения.

Кроме указанных прямых результатов, информация о местонахождении транспортных средств используется в рамках всего городского управления транспортом, статистические данные дают возможность оптимизации расписаний, причем движение за пределами допусков времени приводит к выдаче аварийных сигналов, это может быть признаком возникновения заторов или ДТП.

Централизованная система предоставления приоритета, основанная на GPS

Центральная система не нуждается в создании никакой дополнительной инфраструктуры на уровне транспортных узлов (устройств управления светофорами), но следует иметь созданную действующую коммуникационную инфраструктуру, основанную на радиопередаче. Основой является создание двухсторонней связи между управляющим компьютером и транспортными средствами для автоматической передачи данных, как например, положение транспортного средства, соблюдение расписания, информация для пассажиров и т. п.

В транспортном средстве установлен блок GPS, блок связи, управляющий компьютер и консоль управления для водителя. Для уточнения данных GPS для целей приоритета используется и цифровой тахограф. Водитель обязан перед поездкой ввести основные данные о маршруте, которые передаются в центр. На его дисплее потом появляется информация об опережении или запаздывании по сравнению с расписанием.

Система, представленная на блок-схеме, включает в себя управляющий компьютер в транспортном центре управления, одну или несколько базовых станций, мобильные устройства управления, ведущие связь с базовой станцией и транспортными средствами общественного транспорта с блоками GPS и с возможностью двухсторонней коммуникации.

На маршруте у транспортного средства имеются виртуальные пункты, через которые транспортное средство передает в центр информацию о своем местоположении, которая затем может передаваться из центра в устройства управления, где служит в качестве информации для изменения режима работы светофоров. В принципе речь идет о виртуальных точках регистрации и дерегистрации. На расстоянии приблизительно 5 м до этого пункта активизируется сигнал тахографа. Активизация основана на GPS и предназначена для подготовки всех данных, необходимых для правильной передачи положения из опорной точки.

В мобильное устройство управления встроен блок, сложность которого может быть различной. При самом простом исполнении блок обладает только двоичными выходами, активизированными из центра управления, которые соединены со входом устройства управления и в программе им выделены соответствующие частоты. Для комплексного управления устройство управления с блоком следует соединить со сборной шиной, которая, кроме прочего, может передавать информацию о предоставлении приоритета, информацию о времени и т. п.

Радиосеть связи выполняет несколько функций. Если транспортное средство проезжает через виртуальную географическую точку, то информация об этом передается в центр с самым высоким уровнем приоритета и оттуда - к устройству управления. Данная операция занимает, как правило, 100-300 мс. Посредством радиосети транспортному средству через каждые 10-20 с передаются фактические данные о соблюдении расписания и другие данные, однако эту связь можно использовать и для изменения параметров программ в транспортном средстве. Практические примеры показывают, что к одной базовой станции можно присоединить вплоть до 250 внешних устройств (транспортные средства/устройства управления).

Основные преимущества системы

Система, которая используется в датском городе Аалборге, имеет некоторые преимущества, которые можно выразить следующим образом:

• нет необходимости в создании инфраструктуры для определения местоположения (маяки) транспортного средства;

• в комплекте с дифференциальной GPS и тахографом можно обеспечить точность в пределах 2-5 м;

• положение виртуальных точек регистрации и дерегистрации может изменяться только программным обеспечением;

• автоматическая запись расписаний в транспортных средствах по данным из центра;

• автоматические изменения приоритета в устройствах управления с помощью радиосети;

• модульная система, которая может быть в любое время расширена.